МК Рабочая площадка промышленного здания 28 х 18 м

MK_KP.dwg

Спецификация металла
наплавленного металла
Таблица отправочных марок
Общая масса конструкций по чертежу
Заводские швы выполнять электродуговой автоматичкской и
полуавтоматической сваркой
Все угловые швы выполнять катетом K
Монтажные швы выполнять ручной сваркой электродами Э-42.
На чертеже монтажного стыка ГБ цифрами показан порядок наплавки
Контроль качества стыкового шва нижней полки монтажного стыка
Все отверстия d=22 мм под болты нормальной точности M20
Отверстия под анкерные болты нормальной точности М24
Монтажный стык ГБ М 1:25
промышленного здания
Монтажная схема площадки(1:200)
узел сопряжения балок
рабочие чертежи: ГБ-1(1:40)
монтажный стык ГБ(1:25)
Балка настила М 1:40
План ячейки балочной клетки
Узел 1: сопряжение балок с колоннами (1:40)
Монтажная схема площадки (1:200)
главная балка ГБ-1(1:40)
Заводские швы выполнять электродуговой автоматической и
балка настила БН (1:40)
монтажный стык ГБ (1:25).
Спецификация. Примечания.

Поянительная записка МК.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
«Тольяттинский государственный университет»
Центр архитектурных конструктивных решений и организации строительства
(наименование центра полностью)
(код и наименование направления подготовки специальности)
профиль «Промышленное и гражданское строительство»
(направленность (профиль)специализация)
по дисциплине (учебному курсу)
«Металлические конструкции 2»
(наименование дисциплины (учебного курса))
на тему «Рабочая площадка промышленного здания»
(подпись руководителя)
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Центр «Архитектурных конструктивных решений и организации строительства»
(подпись) (И.О. Фамилия)
на выполнение курсовой работы
Студент Ефременко Анастасия Владимировна
Тема «Рабочая площадка промышленного здания»
Срок сдачи студентом законченной курсовой работы
Исходные данные к курсовой работе:
Размеры рабочей площадки в плане: 28х18 м;
Шаг колонн в продольном направлении:14 м;
Шаг колонн в поперечном направлении: 6 м;
Отметка верха площадки: 10 м;
Отметка габарита оборудования: 8 м;
Временная нормативная нагрузка: qnv=272 кнм2;
Содержание курсовой работы (перечень подлежащих разработке вопросов разделов) Необходимо законструировать и рассчитать элементы и узлы балочной клетки;
Законструировать и рассчитать колонну;
Законструировать и рассчитать узел сопряжения балок и колонны.
Ориентировочный перечень графического и иллюстративного материала (с точным указанием чертежей и форматов их представления):
монтажная схема площадки (М 1:200);
план ячейки балочной клетки (М 1:100);
узел сопряжения балок с колонной (1:201:25);
узел укрупнительной сборки (монтажный стык) главной балки (М 1:201:251:40);
рабочий чертеж отправочной марки главной балки (М 1:201:251:40);
рабочий чертеж колонны (М 1:201:251:40);
чертеж балки настила или вспомогательной балки (М 1:25 1:40);
спецификация мееталла;
таблица отправочных марок балок и колонн.
Рекомендуемые учебно-методические материалы:
Металлические конструкции: учебник для студ. высш. учеб. заведений [Ю.И.Кудишин Е.И.Беленя В.С.Игнатьева и др.] ; под ред. Ю.И.Кудишина. 10 изд. стер. – Издательский центр «Академия» 2007. – 688 с.;
Родионов И.К. Конструктивные решения элементов и узлов рабочих площадок промышленных зданий: электронное учебно-методическое пособие И.К. Родионов ; под ред. В.М. Дидковского. – Тольятти : Изд-во ТГУ 2015. – 1 оптический диск;
Родионов И.К. Работа расчет и конструирование сварной балки рабочей площадки промышленного здания. Электронное учебно-методическое пособие. ТГУ. Тольятти 2019.;
Родионов И.К. Работа расчет и конструирование стальных центрально-сжатых сплошных колонн : электрон. учеб.-метод. пособие И.К. Родионов. – Тольятти : Изд-во ТГУ 2015. – 1 оптический диск.;
Родионов И.К. Технико-экономическое сравнение вариантов компоновки ячеек балочных клеток. Методиче-ские указания. ТГУ. Тольятти 2019.;
Руководитель курсовой работы
Задание принял к исполнению
Конструирование и расчет элементов и узлов балочной клетки.6
1. Выбор оптимального варианта ячейки балочной клетки.6
1.1. Балочная клетка нормального типа (1 вариант).6
1.1.1. Компоновка ячейки.6
1.1.2. Расчет настила.6
1.1.3. Расчет балок настила.7
1.1.4. Технико-экономические показатели.9
1.2. Балочная клетка усложненного типа (2 вариант).9
1.2.1. Компоновка ячейки.9
1.2.2. Расчет настила.9
1.2.3. Расчет балок настила.10
1.2.4. Расчет вспомогательных балок.11
1.2.5. Технико-экономические показатели.13
1.3. Технико-экономическое сравнение вариантов ячеек балочной клетки.13
2. Конструирование и расчет главной балки.14
2.1. Подбор основного сечения.14
2.2. Проверка стенки на местное давление.18
2.3. Конструирование и расчет опорной части.19
2.4. Конструирование и расчет узла изменения сечения.21
2.5. Проверка местной устойчивости элементов главной балки.23
2.6.1. Местная устойчивости стенки от действия касательных напряжений.24
2.6.2. Местная устойчивость стенки от действия нормальных напряжений.24
2.6.3. Местная устойчивости полки от действия нормальных напряжений.24
2.6.4. Местная устойчивости стенки от совместного действия нормальных касательных и местных напряжений.25
2.7. Расчет поясных швов.28
2.8. Расчет швов прикрепления опорных ребр к торцам балки.29
2.9. Конструирование монтажного стыка.30
Конструирование и расчет колонны.31
1. Стержень колонны.31
2. Оголовок колонны.34
Список используемой литературы41
Металлические конструкции применяются сегодня во всех видах зданий и инженерных сооружений особенно если имеют место значительные пролеты высота нагрузки. Потребность в металлических конструкциях чрезвычайно высока и непрерывно увеличивается. В ходе выполнения курсовой работы необходимо запроектировать рабочую площадку промышленного здания.
Рабочие площадки промышленных зданий предназначаются для размещения технологического оборудования. Основными несущими элементами рабочих площадок являются (в направлении передачи нагрузки) настил балочные клетки и колонны.
Необходимо выбрать оптимальный вариант ячейки балочной клетки с точки зрения экономии. А также запроектировать и рассчитать главную балку колонну. При выборе оптимального варианта ячейки балочной клетки анализируются варианты проектирования балочной клетки нормального типа и усложненного типа. Этапами проектирования колонны служат расчёты стержня колонны оголовка колонны и базы колонны.
Конструирование и расчет элементов и узлов балочной клетки.
1. Выбор оптимального варианта ячейки балочной клетки.
1.1. Балочная клетка нормального типа (1 вариант).
1.1.1. Компоновка ячейки.
Необходимо скомпоновать ячейку балочной клетки при нормальном типе балочной клетки. Главную балку располагаем в продольном направлении. Таким образом главная балка перекрывает пролет длиной 14 м. Для выполнения правил транспортировки строительных грузов необходимо разделить главную балку на две отправочные балки ГБ1.
Шаг балок настила принят a=1. Определим четность и нечетность отношения -четное число.
Отсюда для того чтобы балка настила не попала на монтажные стыки главных балок принимаем вариант компоновки со смещением крайних балок настила в ячейке с поперечных разбивочных осей на полшага (рис. 1).
Рис. 1. – Ячейка балочной клетки нормального типа
1.1.2. Расчет настила.
Расчет настила производим только по жесткости так как величина временной нормативной нагрузки действующей на настил меньше (прочность обеспечена). Пролет настила равен шагу балок a=1м.
Рис. 2. Для расчет настила: а) схема конструктивная
Временная нормативная нагрузка действующая на настил () находится в границах 50кНм2. Прочность настила при данной нагрузке будет обеспечиваться поэтому расчет производиться только по жесткости[1].
С помощью графиков Лейтеса производим расчет настила. Для нагрузки ) и требуемого относительного прогиба [fa] = 1120 находим предельно допустимое отношение пролета настила к его толщине at = 130; тогда наименьшая толщина настила находится следующим образом:
t= a130= 100 130 = 0769 см.
Согласно ГОСТ 19903–2015 толщину настила принимаем t = 8 мм.
«Распределенной на 1 м2 площади нормативная величина нагрузки от массы настила определяется умножением объемной плотности стали на толщину листа»[4] :
1.1.3. Расчет балок настила.
Представлена конструктивная схема сопряжения балок настила с главными (рис. 3а.). В качестве расчетной схемы в запас жесткости и прочности принимается однопролетная балка с шарнирными опорами (рис. 3б).
Рис. 3. Схемы расчета балки настила:
а) схема конструктивная б) схема расчетная в) эпюра г) эпюра .
«Воспринимает нагрузку действующую в пределах ее грузовой площади каждая балка настила. Временную нагрузку и постоянную нагрузку от настила действующие в пределах грузовой полосы шириной а воспринимает расчетная балка (рис. 3)»[4].
Действующая на балку настила нормативная нагрузка находится как:
С учетом коэффициентов надежности: по постоянной нагрузки и по переменной нагрузке вычисляется действующая расчетная нагрузка:
= 105 для стального листа. Коэффициент надежности временной нагрузки принимаем= 12 (табл.1 [7]).
«Действующая в середине пролета рассматриваемой балки (рис. 3в) величина наибольшего изгибающего момента вычисляется следующим образом»[4]:
Перерезывающее наибольшее усилие действует на опорах:
С учетом возможности формирования в балке пластических деформаций [5 п.5.18] будем производить подбор сечения:
Ry – расчетное сопротивление стального проката на растяжение сжатие и изгиб [5 табл. 51]; в данном случае .
– примем в первом приближении для случая с последующей проверкой после подбора сечения.
c в данной работе для балок двутавровых согласно ГОСТ 8239-89 можно принять с1=11
γс – коэффициент условий работы согласно [5 табл. 6]; в данном примере γс = 10.
С учетом точных значений Ryc1 γc вычисляем необходимый момент сопротивления:
Согласно ГОСТ 8239–89 принимаем двутавр I33 со следующими геометрическими характеристиками:
Проверим корректность выбора коэффициента . Для этого определяем касательные напряжения:
Таким образом коэффициент =1 принят правильно.
«Прочность принятой балки обеспечивается устойчивость балки соответствует условию: нагрузка передается через стальной жесткий лист настила опирающийся на сжатый пояс балки и надежно к нему приваренный согласно ([5] п. 5.16).
Проверим жесткость балки. Для этого найдем относительный прогиб fl1 и сравним его с требуемым значением. Предельно допустимое значение [f l1] определяем по [7 табл. Д.1] в соответствии с п.2а.»[4].
Пролет балки В табл. Д.1 приводятся предельно допустимые относительные прогибы для пролёта 6 м – 1200 и для пролёта 12 м – 1250. Для пролёта 6 м [f l1] =1200.
Производим проверку:
Таким образом относительный прогиб балки меньше требуемой величины.
Cледовательно балка удовлетворяет предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям по первой и второй группам предельных состояний.
1.1.4. Технико-экономические показатели.
Расход стали на 1 м2 ячейки.
Находим расход стали как суммарную величину расхода на балки настила и настила.
Расход настила на 1 м2 ячейки находим как:
Отнесенный к 1 м2 ячейки расход стали на балки настила можно определить по следующей формуле как:
Общий расход стали на квадратный метр ячейки находится как:
Число отправочных марок балок в ячейке 14(14БН).
Число типоразмеров балок в ячейке 1то есть балка I33 конструктивной длиной 5980 мм.
1.2. Балочная клетка усложненного типа (2 вариант).
1.2.1. Компоновка ячейки.
Частное от деления Ll2 =142 = 7 – нечетное число. Вспомогательные балки размещаем с шагом l2 = 2 м кратным пролету главных.
Балки настила располагаем вдоль главных балок с шагом а1 = 10 м кратным пролету вспомогательных балок.
Рис. 4. Ячейка балочной клетки усложненного типа
1.2.2. Расчет настила.
«Расчетная и конструктивная схема настила представлена в данном случае на рис. 5. Расчет выполняем также как расчет настила балочной клетки нормального типа»[4].
Рис. 5. К расчету настила: а) конструктивная схема
Находим по графикам Лейтеса для и [fa] = 1120 допустимую величину отношения пролета настила к толщине а1t= 130 с учетом а1 = 10 м толщина настила t = 100130 = 0769 см. Согласно ГОСТ 19903–74* настил принимаем толщиной t=8 мм.
Нормативная величина нагрузки от массы настила будет равна:
1.2.3. Расчет балок настила.
Сопряжение балок настила и вспомогательных (рис.6а) примем этажное. Примем расчетную схему вспомогательной балки в виде однопролетной шарнирно опертой балки пролетом (рис.6б).
Рис. 6. Для расчета балки настила: а) схема конструктивная б) схема расчетная в) эпюра г) эпюра .
Находим расчетную и нормативную величины нагрузки действующей на балку настила:
Находим наибольшее значение изгибающего момента:
Подбор сечения будем производить с учетом работы балки в упруго-пластичной стадии согласно [5 п.5.18]:
Принимаем I14 имеющий линейную плотность .
Проверка прочности балки по нормальным напряжениям и проверка общей устойчивости балки ([5 п. 5.16]) не требуется.
Выполняем проверку жесткости балки настила. Предельно допустимое значение определяем по [7 табл. Д.1] в соответствии с п. 2 а.
Для пролёта 2 м определяем интерполяцией приводятся предельно допустимые относительные прогибы для пролёта 3 м – 1150 и для пролёта 6 м – 1120.
Проверка жесткости балки настила производиться по формуле:
Следовательно окончательно принимаем I14 согласно ГОСТ 8239–89 как отвечающий предъявляемым к нему эксплуатационным требованиям.
1.2.4. Расчет вспомогательных балок.
«В данной балочной системе временную нагрузку и постоянные нагрузки от массы настила и балок настила несут вспомогательные балки. Главные балки (рис. 7а) являются опорами для вспомогательных балок.
В запас прочности за расчетную схему вспомогательной балки принимаем однопролетную шарнирно опертую балку пролетом l1. К вспомогательной балке нагрузка прикладывается в виде сосредоточенной в местах опирания балок настила (рис. 7б)»[4].
Рис. 7. Для расчета вспомогательной балки: а) схема конструктивная б) схема передачи нагрузки в) схема расчетная г) эпюра д) эпюра .
Нормативную величину этой нагрузки находим по формуле:
Расчетную нагрузку действующую на вспомогательную балку находим по формуле:
Наибольшее значение изгибающего момента:
«Требуемое значение момента сопротивления сечения вспомогательной балки определяем как для балок 2-го и 3-го классов с учетом ее работы в упруго-пластической стадии [8 п. 8.2.3] по формуле»[4]:
Принимаем I45 по ГОСТ 26020-83 имеющий и линейную плотность
Проверяем корректность выбора коэффициента . Для этого определяем касательные напряжения:
Прочность двутавра по нормальныи напряжениям не проверяем.
«Устойчивость балок 2-го и 3-го классов следует считать обеспеченной при выполнении требований (условная гибкость сжатого пояса не должна превышать её предельных значений) при условии умножения значений определяемых по формулам таблицы 11 [8 п. 8.4.4 б] на коэффициент »[4]:
принимаем 11 как большую из двух величину.
Если нагрузка приложена к верхнему поясу то предельное отношени для упругой работы определяем по формуле:
где: b и t – соответственно ширина и толщина сжатого пояса балки; h – расстояние между осями поясных листов. Согласно ГОСТ 26020-83 I45 имеет b = 16 см t = 142 см. Следовательно h = 45 – 142 = 4358 см.
. C учетом упруго-пластической работы предельная условная гибкость будет равна ;
Условная гибкость сжатого пояса прокатной или сварной балки:
за расчетную длину балки lef=a=10 м – расстояние между точками закрепления сжатого пояса от поперечных смещений
. Условная гибкость сжатого пояса меньше предельной условной гибкости: 633 . Таким образом общая устойчивость вспомогательной балки обеспечена.
Производим проверку жесткости балки.
Проверим её жесткость:
Жесткость балки тоже обеспечивается.
1.2.5. Технико-экономические показатели.
Расход стали в кг на 1 м2 настила:
Расход стали в кг на балки настила отнесенный к 1 м2 ячейки:
Расход стали в кг на вспомогательные балки отнесенный к 1 м2 ячейки:
Расход стали на 1 м2 балочной ячейки усложненного типа:
Число отправочных марок балок в ячейке составляет 43 штук т.е. 35 штук БН и 8 штук ВБ.
Число типоразмеров балок в ячейке – 2 то есть 1БН и 1ВБ.
1.3. Технико-экономическое сравнение вариантов ячеек балочной клетки.
«Для удобства сравнения технико-экономические показатели обоих вариантов сведем в таблицу 1.
Расход стали на 1 м2 ячейки
Количество отправочных марок балок в ячейке
Количество типоразмеров балок в ячейке
Таблица 1 – Таблица сравнение вариантов
Как видно из таблицы первый вариант экономичней во всех от-ношениях: и по затратам металла и по трудоемкости.
Проводить сравнение по цене стали затраченной на 1 м2 ячеек в данном случае нецелесообразно так как в обоих вариантах принят один и тот же класс стали»[4].
2. Конструирование и расчет главной балки.
2.1. Подбор основного сечения.
Определяем нормативную нагрузку на главную балку:
где: – временная нормативная нагрузка кНм2; – расход металла кгм2; – нормативная нагрузка от массы главной балки кНм2; – ширина грузовой полосы главной балки м
Собственный вес балки принимаем ориентировочно в размере (1–2)% от временной нормативной нагрузки:
Рис. 8. Определение грузовой площади главной балки
Вес настила и балок настила определяем по расходу металла в 1 варианте компоновки ячейки балочной клетки переводя размерность кгм2 в кНм2 как
Таким образом нормативная нагрузка будет равна
Расчетную нагрузку на главную балку определяем с учетом коэффициента надежности по временной нагрузке γv = l2 и коэффициента постоянной нагрузки γg=105 по формуле:
Расчетный изгибающий момент в середине пролета определяется по формуле:
Рис.9. К расчету главной балки
Поперечная сила на опоре определяется по формуле:
Главную балку будем проектировать из условия её работы в упругой стадии как конструкцию 1-го класса [7 п 4.2.7]. Отсюда требуемый момент сопротивления сечения балки определяем по формуле:
где :Ry=27 кНсм2 – расчетное сопротивление стали класса С275 на сжатие растяжение изгиб по пределу текучести принятое в первом приближении для фасонного проката [8 табл. В.5]; – коэффициент условий работы принятый по табл. 6 [5].
В ГОСТ моменты сопротивления прокатных двутавровых балок значительно меньше требуемого момента сопротивления полученного расчетом. Исходя из этого проектируем балку составного сечения. (рис.10)
Определение высоты балки
Оптимальную высоту рассчитываем по формуле:
где: k – коэффициент зависящий от конструктивного оформления балки; для сварных балок принимается k=11512; – толщина стенки балки.
Толщину стенки можно определить по формуле
где высота балки ГБ может быть определена в зависимости от пролета L из условия:
Примем тогда требуемая толщина стенки будет равна =112 мм. По ГОСТ 19903–74* Сталь листовая горячекатаная примем 115=. Выборку из ГОСТ см. в табл. П16.11[1].
Подставляя =115см коэффициент k=115 и =см3 определяем оптимальную высоту:
Минимальную высоту рассчитываем поформуле:
где: =250 – величина обратная предельно допускаемому прогибу рассчитанная методом интерполяции [7 табл. Е1 п.2 а];
E – модуль упругих деформаций.
Сопряжение главных балок и балок настила этажное.
Рис. 10. К вопросу определения строительной высоты главной балки
Сопряжение главных балок и балок настила этажное. Строительную высоту рассчитываем следующим образом:
стр=H1H2tнhбн= 1000 – 800 – 08 – 33 = 1662 см.
Сравнивая полученные высоты принимаем высоту балки
Во всех случаях высоту балки следует принимать в целях унификации кратной 100 мм.
Определение толщины стенки
С позиции среза требуемая толщина стенки определяется как
где : Rs - расчетное сопротивление стали срезу.
В соответствии с [5 табл.1*] Rs = 058·Ry = 058·25 = 145 кНсм2.
По устойчивости требуемая толщина стенки определяется как:
«Толщину стенки следует принимать как максимальную из определенных выше толщин в соответствии с ГОСТ 19903–74*. По полученным результатам удовлетворяет толщина стенки равная tW=9 мм.
Определение размеров сечения поясных листов
Размеры поясных листов определяем исходя из необходимой несущей способности балки. Для этого определяем требуемый момент инерции сечения балки по формуле»[5]:
Определяем момент инерции стенки балки по формуле:
Высоту стенки определяем по формуле hw=hгб -2tfприняв толщину полки tf = 30 см:
Момент инерции приходящийся на поясные листы:
Определяем требуемый момент инерции сечения поясов балки как разность требуемых моментов инерции всего сечения и стенки:
По приближенной формуле определяем требуемую площадь сечения одной полки как:
где: f– расстояние между центрами тяжести поясных листов;
f=б tf =140 30 = 137 см
Определяем требуемую ширину пояса по формуле:
Рис. 10. Сечение главной балки
В соответствии с ГОСТ 82–70 принимаем окончательно его ширину ширину bf = 450 мм то есть пояс – 450х30 после чего проверяем скомпонованное сечение балки.
«В рассматриваемом случае проверки прогиба не требуется так как высота балки принята больше минимальной высоты с позиции жесткости: гб > min 140 см > см. Не требуется и проверка прочности с позиции среза (касательных напряжений) так как толщина стенки tW=09 мм принята больше толщины требуемой с позиции среза tW=085 мм»[5].
Таким образом требуется лишь проверка прочности по нормальным напряжениям:
Определяем момент инерции сечения балки:
Момент сопротивления балки:
Проверяем несущую способность балки по упругой стадии ее работы:
что меньше RyYc=25 кНсм2; недонапряжение составляет 32% то есть находится в пределах допускаемых 5%.
2.2. Проверка стенки на местное давление.
Необходима проверка прочности стенки для предотвращения пластических деформаций.
Рис. 11. Схема распределения сосредоточенной нагрузки
Проверка прочности стенки на местное сжатие производится по формуле:
Расчетное значение сосредоточенной силы Fb определяется как
Условная длина распределения сосредоточенной нагрузки на стенку главной балки lef определяется по формуле:
где: – ширина пояса балки настила;– толщина верхнего пояса главной балки.
Производим проверку прочности стенки на местное сжатие:
Условие выполняется: стенка работает в пределах упругих деформаций.
2.3. Конструирование и расчет опорной части.
«Конструкцию опорной части главной балки принимаем с опорным ребром в торце балки. Нижний конец опорного ребра должен быть остроган. Толщина ребра принимается tp= 2 см. Выпуск ребра за нижнюю полку примем равным a1 = 20 мм что меньше 15 tp. В этом случае расчет ребра следует вести из условия работы на смятие.
Рис.12. Опорная часть главной балки
Опорную часть балки составного сечения следует рассчитывать на продольный изгиб из плоскости как стойку нагруженную опорной реакцией.
Определяем требуемую ширину опорного ребра:
где расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности Rp=Ru в соответствии с [8].
Для стали класса С255 расчетное сопротивление на сжатие растяжение изгиб определенное по временному сопротивлению равно Ru= 37 кНсм2 [8 табл. В.5].
Определяем требуемую ширину опорного ребра»[5]:
В соответствии с ГОСТ 82-70* принимаем bp= 200 мм.
«Опорную часть балки составного сечения следует рассчитывать на продольный изгиб из плоскости как стойку нагруженную опорной реакцией.
Рис. 13. Устойчивость опорной части балки
В расчетное сечение стойки следует включать ребро и полосу стенки шириной lw определяемую по формуле»[5]:
Расчетную высоту стойки следует принимать равной высоте стенки h=134 см.
Проверку устойчивости стойки следует проводить из условия:
где A– площадь сечения стойки.
Определяем геометрические характеристики сечения стойки:
Гибкость стойки в плоскости перпендикулярной оси «у» будет равна:
Коэффициент продольного изгиба = 0938 определяем в соответствии с [5 табл. 72] в зависимости от расчетного сопротивления и гибкости стойки .
Проверяем устойчивость:
Скорректируем сечение ребра: примем новое сечение - 240х20.
Производим проверку устойчивости в той же последовательности:
Коэффициент продольного изгиба = 0954
Устойчивость стенки обеспечена. Принимаем опорное ребро из листа широкополосной универсальной стали сечением 240х20.
2.4. Конструирование и расчет узла изменения сечения.
Определяем привязку измененных сечений: x = L6 = 146 = 233 м. Примем x = 24 м.
Расчетный момент Mх и перерезывающая силы Qх на расстоянии x = l6 от опоры определяется по формулам (рис. 9):
Рис.14. Схема изменения сечения балки
«При применении прямого стыка в растянутом поясе без физических способов контроля качества шва расчетное сопротивление сварных соединений при растяжении принимается пониженным Rwy=085*25=2125 кНсм2.
Определяем требуемые геометрические характеристики:
- момент сопротивления измененного сечения исходя из прочности сварного стыкового шва работающего на растяжение»[5]:
- момент инерции измененного сечения:
- момент инерции пояса:
По конструктивным требованиям ширина пояса должна отвечать условиям:
В рассматриваемом случае: bf2=2=225 см hгб 10=14010=14 см.
Принимаем пояса из универсальной стали по ГОСТ 82-70 сечением -280х30 мм.
Проверка прочности измененного сечения
Проверка прочности стенки производится с учетом локальных напряжений loc по формуле:
Рис. 15. Распределение напряжений в месте изменения сечения балки
Нормальные напряжения определяем по формуле:
где: - момент инерции уменьшенного сечения относительно оси «Х» определяемый по формуле:
Нормальные напряжения:
Касательные напряжения определяем по формуле:
где: – статический момент уменьшенного пояса относительно оси «Х» определяемый по формуле:
Касательные напряжения:
Проверка прочности стенки:
Таким образом прочность уменьшенного сечения обеспечена.
2.5. Проверка местной устойчивости главной балки.
«В балках потерять устойчивость могут сжатый пояс от действия нормальных напряжений и стенка от действия касательных или нормальных напряжений. Визуально это будет проявляться в виде местных изгибных деформаций: выпучин складок волн. При потере устойчивости хотя бы одного из элементов балки либо полностью либо частично приводит к его неработоспособности что в свою очередь приводит к уменьшению и несимметричности рабочего сечения балки а также смещению центра изгиба что в дальнейшем является одной из причин потери несущей способности всей балки»[5].
2.6.1. Проверка местной устойчивости стенки от действия касательных напряжений
«Величина критических напряжений зависит от условной гибкости стенки
– при отсутствии подвижной нагрузки если гибкость стенки превы-шает 32;
– при отсутствии подвижной нагрузки если гибкость стенки превы-шает 22.
Расстояние между основными ребрами жесткости не должно превышать 2 при >32. Ребра жесткости располагают чаще к опорам по возможности под балками настила симметрично относительно середины пролета»[5].
В рассматриваемом случае
Максимальное расстояние между ребрами 2.
Рис.16. Схема расстановки рёбер жёсткости.
Исходя из этого принимаем максимальное расстояние между ребрами жёсткости а=300 см (кратно шагу балок настила 100 см) по всему пролету балки за исключением двух опорных отсеков (рис. 16).
2.6.2. Потеря устойчивости стенки от действия нормальных напряжений.
В рассматриваемом случае hГБ 20 м значит устойчивость стенки от действия следует путем принятия достаточной для обеспечения устойчивости толщины:
При компановке сечения принята толщина tw=9 мм что больше чем требуемая с позиции обеспечения местной устойчивости стенки.
2.6.3. Потеря устойчивости полки от действия нормальных напряжений.
Рис. 17. Потери устойчивости сжатой полки
Устойчивость полки зависит от условной гибкости её свеса и характера закрепления. Условная гибкость свеа определяется по формуле
Проверка устойчивости:
Определяем свес полки:
Условная гибкость свеса:
Предельно допускаемая условная гибкость равна:
Таким образом устойчивость пояса обеспечена: 0250762.
2.6.4. Потеря устойчивости стенки от совместного действия нормальных касательных и местных напряжений.
«На совместное действие напряжений проверяется устойчивость стенки во втором наиболее напряженном отсеке от опоры на расстоянии х1= 45 м от оси.
Расчет на устойчивость стенки балки выполняем по формуле»[5]:
Дествителььная условная гибкость стенки .
Высота стенки hw=134см.
«Числители дробей ( зависят от нагрузки а следовательно и от действующих усилий. В частности – соответственно от изгибающего момента и перерезывающей силы»[5].
Определяем изгибающий момент и перерезывающую силу в сечении расположенном на расстоянии x1=45 м от оси по формулам:
Определяем нормальные и касательные напряжения возникающие в данном сечении по формулам:
где: M= и Q=- изгибающий момент и перерезывающая сила в сечении х1; -момент инерции основного сечения (так как х1=45 м больше х=24 м); t и h – соответственно толщина и высота стенки т.е. t=tw и h= y=hw2. Определяем нормальные и касательные напряжения:
Местные напряжения принимаем равными из расчета стенки на местное давление.
Критические напряжения ( зависят от гибкости прочности стенки (отсека пластинки) характера закрепления.
Касательные напряжения определяем по формуле:
где: - отношение большей стороны пластинки к меньшей; – расчетное сопротивление срезу;
В рассматриваемом варианте d=134 см отсюда:
Определяем нормальные критичесие напряжения.
Коэффициент : где коэффициент определяется по табл. 22 [5] в зависимости от вида балок и условий работы сжатого пояса; в рассматриваемом случае
Определяем значение :
Коэффициент определяется по табл.12 в зависимости от коэффициента
Нормальное критическое напряжение будет равно:
Нормальное местное критическое напряжение определяем по формуле (80) [5]:
где условная гибкость
Коэффициент и определяется по табл. 23 [5] в зависимости от коэффициента ρ и отношения аW.
Определяем коэффициент с1.
В нашем случае 14 см(I33)
Определяем коэффициент
Коэффициент c определяется по табл. 14 [7] в зависимости от коэффи-циента ρ=и отношения 05аW=05300134=112: с1=169.
Коэффициент c2 определяется по табл. 15 [7] в зависимости от коэффи-циента = и отношения 05аW=05*300134=112: с2=207.
Производим 1-ю проверку устойчивости стенки:
Отсюда следует что устойчивость стенки обеспечена.
Определение нормальных критических напряжений для второй проверки
Критические нормальные напряжения определяем по формуле:
В данном случае так как аW=05300134=112;
Критические местные нормальные напряжения определяем по формуле:
Производим 2-ю проверку устойчивости стенки:
Обе проверки местной устойчивости стенки удовлетворяются. Таким образом принимаем окончательно стенку толщиной tw=09 см.
2.7. Расчет поясных швов.
«Поясные швы предотвращают при изгибе балки сдвиг поясов относительно стенки. Кроме работы на сдвиг поясные швы передают на стенку местную нагрузку при наличии этажно расположенных балок настила в местах где нет поперечных ребер жесткости»[5].
Рис. 19. Работа поясных швов
В нашем случае: = кН;
«В рассматриваемом случае сварка автоматическая при d = 3 – 5 мм положение шва – в лодочку; катет примем в 1-м приближение 3–8 мм. Отсюда 11=115.
В нашем случае: группа конструкций 3 все климатические районы кроме I1 I2 II2 и сталь класса С255. Отсюда принимаем марку сварочной проволоки Св–08А и расчётное сопротивление 18 [9 табл. Г.1];
Расчетное сопротивление определяется в соответствии с требованиями табл. 4 [9]:
В рассматриваемом случае отсюда .
Произведения коэффициентов проплавления на расчетные сопротивления»[5]:
Таким образом минимальное произведение равно 1967
Определим максимально и минимально допустимые катеты поясных швов.
Максимально допустимые катеты определяются в соответствии с [9 п. 141.7 а] как . В нашем случае свариваем полку и стенку; стенка имеет меньшую толщину 9 мм; отсюда108мм.
В рассматриваемом варианте соединение тавровое сварка автоматическая предел текучести до 255 мПа более толстый элемент полка =30 мм; отсюда 5 мм.
Исходя из полученных данных принимаем поясные швы с катетом 5 мм что больше =033 см по расчету и меньше максимально возможного =108 мм.
2.8. Расчет швов прикрепления торцового ребра к стене балки.
«Прикрепление опорного ребра к торцу балки осуществляется двумя угловыми швами наплавляемыми полуавтоматической сваркой по всей высоте стенки»[5].
Для рассматриваемого случая (полуавтоматическая сварка проволокой d=1.4–2 мм с нижним положением шва при катетах 9-12 мм) 08 и =10.
Рис.20. Прикрепление ребра к торцу балки
В соответствии с [4 п. 12.8 г] длина флангового шва должна быть не более lw =85fkf.
Расчетные сопротивления (см. предыдущий расчет).
- из расчета на срез по металлу шва
- из расчета на срез по металлу границы сплавления
Максимально возможный катет минимальная толщина свариваемых элементов =9 мм; отсюда Минимальный возможный катет определяем по табл. 38 [8]: как для соединения таврового с двусторонними угловыми швами с применеием полуавтоматической сварки стали с пределом текучести до 255 Мпа при толщине более толстого из свариваемых элементов от 17 до 24 мм.
Учитывая всё вышеприведенное принимаем катет швов 10 мм как величину большую расчетных знаачений и находящуюся между
2.9. Конструирование монтажного сварного стыка главной балки.
«Стык находится в середине пролёта главной балки где нормальные напряжения абсолютно близки к расчетному сопротивлению на сжатие растяжение изгиб определенному по пределу текучести. Сжатый (верхний) пояс и стенку соединяем прямым швом встык а растянутый (нижний) пояс – косым швом с заложением 1:2. Принимаем визуальный метод контроля качества шва нижней полки. Такой стык будет равнопрочный основному сечению балки и может не рассчитываться.
Рис. 22. Монтажный стык главной балки
Для уменьшения сварочных напряжений исключения трещин соблюдается определенный порядок сварки (рис. 22): сначала сваривают поперечные стыковые швы стенки 1; затем стыковые швы поясов 2 и 3 имеющие наибольшую поперечную усадку. Оставленные незаваренными на заводе участки поясных швов длиной около 500 мм дают возможность поясным листам несколько вытянуться при усадке швов 2 и 3. Последними заваривают угловые швы 4 и 5 имеющие небольшую продольную усадку»[5].
Конструирование и расчет колонны.
1. Стержень колонны.
Геометрическая длина (высота) колонны закрепление концов шарнирное. В случае опирания главных балок сверху см. рис. 23 расчётное усилие N определяется по формуле:
Рис. 23. Конструктивная и расчетная схемы колонн.
Определим требуемую площадь сечения колонны Атр предварительно приняв Ry=25 кНсм2 [6 табл. 51*] коэффициент условий работы =1 [6 табл. 6] задав гибкость в первом приближении λ=80 и определив коэффициент продольного изгиба φ=0686 [6 табл. 72]:
В данном случае расчетные длины будут равны геометрической lx = ly = l0 так как коэффициенты приведения геометрических длин к расчетным длинам х y =10 [6 табл. 71 а].
Таким образом требуемые значения радиусов инерции и также будут равны:
Определяем требуемые значения габаритных размеров и сечения колонны для случая её равноустойчивости:
С учетом требований автоматической сварки () применения для полок стандартных элементов (ГОСТ 82–70*) и модульности высоты сечения колонны (М = 10 мм) примем в первом приближении = 39 см и = 37 см.
Примем толщину стенки tw=09 см толщину полки tf=2 см что даёт площадь сечения близкую к требуемой величине:
Рис. 24. Сечение колонны в первом приближении
Так как сечение принято с высотой больше проверку устойчивости делаем только для ослабленной оси «y» то есть в плоскости перпендикулярной этой оси.
Определяем характеристики жесткости сечения и в целом колонны:
Полученная гибкость меньше предельно допустимой гибкости [λ] = 120 [6 табл. 19].
В зависимости от гибкости и расчетного сопротивления по табл. 72 [6] определяем минимальное значение коэффициента продольного изгиба
Проверяем устойчивость стержня:
Это больше =25 что недопустимо.
Необходимо уменьшить жесткость сечения.
Примем во втором приближении = 43 см и = 38 см и толщину стенки tw=12 см.
Геометрические характеристики нового сечения:
Это меньше =25 следовательно устойчивость колонны обеспечена.
Производим проверку местной устойчивости отдельных элементов колонны: стенки и полки.
Для этого предварительно определим условную гибкость колонны :
«Проверяем устойчивость стенки. Она будет обеспечена если выполняется условие то есть если действительная гибкость стенки не будет превышать предельно допускаемую величину»[6]:
Действительная гибкость стенки равна:
Предельно допускаемая величина гибкости определяется как
Так как условная гибкость колонны больше 20 определяется как:
«Таким образом действительная гибкость стенки меньше предельно допустимой что позволяет сделать вывод о её устойчивости: нет необходимости повышения её жесткости путём увеличения толщины или постановки парных продольных ребер.
Проверим стенку колонны на предмет необходимости постановки поперечных ребер жесткости»[6].
Стенку колонны следует укреплять такими ребрами в случае выполнения неравенства: . В нашем случае
Условие формулы не выполняется что позволяет сделать вывод о необходимости постановки парных поперечных ребер жесткости только в двух сечениях по высоте колонны.
Ширина ребра жесткости
Проверяем местную устойчивость полки.
- условная гибкость
- расчетная ширина свеса полки
- отношение свеса к толщине
Предельно допускаемую величину отношения свеса к толщине определяем как для полок окаймленных ребрами по формуле:
Действительное отношение свеса полки к её толщине меньше предельно допускаемого (92) что даёт возможность сделать вывод об устойчивости полки.
Таким образом колонна с принятым сечением отвечает эксплуатационным требованиям.
2. Оголовок колонны.
Исходные данные: опорная реакция главной балки
прочностные и конструктивные характеристики колонны - из расчета стержня колонны.
Основной задачей в данном случае является определение размеров опорных ребер.
Толщина плиты принимается tпл.=20 мм конструктивно.
Расчетная нагрузка на плиту будет равна N=28584 кН;
Расчетное сопротивление стали на смятие Rp=Ru=37 кНсм2.
Таким образом требуемая площадь смятия будет равна:
Учитывая распределение нагрузки от опорного ребра главной балки через плиту под углом равным 45о требуемую ширину ребра оголовка bp определяем конструктивно (рис. 25) как
По ГОСТ 103-76 «Полоса стальная общего назначения» примем bp = 15 см.
Тогда требуемую толщину одного ребра можно определить по формуле
Окончательно принимаем tp = 28 мм в соответствии с ГОСТ 103-76.
Высота ребер hp определяется из условия среза четырех швов прикрепляющих ребра к стенке колонны и передающих нагрузку от двух главных балок. Определим длину этих швов.
– из условия работы на срез по металлу шва
- из условия работы на срез по металлу границы сплавления
Катет швов принимаем в пределах его возможных величин: минимальной – максимальной .
В нашем случае соединение тавровое с двусторонними угловыми швами сварка полуавтоматическая предел текучести до 430 МПа (Ry = 250 МПа) толщина наиболее толстого элемента . Таким образом принимаем = 7 мм.
Максимальный катет определяется в соответствии с п.128а [6] как где - наименьшая толщина соединяемых элементов. В рассматриваемом случае отсюда
В первом приближении примем катет швов прикрепляющих опорный столик к полке колонны .
Для нашего случая (сварка полуавтоматическая) положение шва нижнее катет 12 мм принимаем коэффициенты проплавления и
Принимаем марку сварочной проволоки Св–08А и расчётное сопротивление .
Рис. 25. К расчёту ребер оголовка
Определяем длины швов:
Длина наибольшего из швов см не превышает то есть требование п.12.8 г[6] выполняется.
Принимаем столик высотой hp=36 см по наибольшей из расчетных длин швов.
Расчётная нагрузка на колонну следовательно и расчетное осевое усилие в ней составляет N = кН. Для таких нагрузок шарнирные базы представляют собой плиту tпл 40 мм усиленную элементами жёсткости – траверсами рёбрами диафрагмами.
Площадь плиты определяем из условия работы на смятие бетона фундамента от действия усилия в базе определяемого по формуле :
Усилие в базе принимается равное расчётному усилию в колонне на уровне фундамента как
где коэффициенты 102 105 учитывают нагрузку от массы колонны. Примем этот коэффициент равным 105.
Коэффициент зависит от характера распределения местной нагрузки; в случае равномерного распределения .
Примем в первом приближении бетон фундамента класса В125. По табл. 1 призменная прочность для этого класса составляет
Определяем расчётное сопротивление бетона смятию приняв предварительно коэффициент = 18 как для бетонов класса выше В75.
Тогда требуемая площадь плиты будет равна:
Примем Впл = 65 см в соответствии с ГОСТ 82–70*.
В соответствии с формулой (37) определяем требуемую длину плиты как:
В соответствии с ГОСТ 82–70* принимаем Lпл = 36 cм.
Это меньше расчетного сопротивления бетона смятию
«Таким образом плиту рассчитываем в данном случае как изгибаемую пластину равномерно нагруженную снизу и опертую на элементы сечения стержня (полки стенку) и траверсы.
Отсюда в данном случае имеем три случая закрепления пластины: по одному трем и четырём кантам.
В случае закрепления по одному канту наибольший момент можно определить как в консоли по формуле»[6]:
Пластина опертая на три канта имеет отношение закреплённой стороны к свободной ba=8536=023605. Отсюда изгибающий момент в запас прочности можно определять как для консоли вылетом b. Но так как bc (85 см 12 см) изгибающий момент будет меньше и его определять не нужно.
В пластине опертой на четыре канта имеет длинную сторону и короткую сторону
Соотношение их b1a1=2120. Отсюда наибольший изгибающий момент действующий в пластине будем определять по формуле:
По максимальному из найденных для различных участков плиты изгибающих моментов в данном случае это определяем требуемую толщину плиты (49):
Полученная толщина плиты больше максимально возможной tmax=40 мм что недопустимо.
Примем ширину плиты таким образом получим с=10 см.Параллельно для компенсации потерянной площади плиты увеличим ее длину приняв =55 см.
Проверим напряжения в бетоне под плитой:
Напряжения в пределах прочности бетона на смятие.
Рис. 26. К расчёту шарнирной базы
Определим изгибающий момент на первом участке
Изгибающие моменты на двух других участках будут однозначно меньше то есть
Определяем требуемую толщину плиты:
Принимаем tпл=40 мм по ГОСТ 82-70*.
«Определив геометрические параметры плиты перейдем к определению размеров траверсы.
Усилие от стержня двутавровой колонны передается на траверсу через четыре сварных шва (рис. 26). Таким образом длина швов lw и определяет высоту траверсы hтр.
Длины определяются по формулам:
Максимальный катет определяется в соответствии с п.128а [7] как где - наименьшая толщина соединяемых элементов. В рассматриваемом случае отсюда
Коэффициенты проплавления и определяем по табл. 34 [7] для полуавтоматической сварки проволокой d=14-2 мм нижнего положения шва при катете 10 мм.
Расчетные сопротивления угловых швов на срез по металлу шва и металлу границы сплавления принимаем из предыдущего примера»[6]:
Подставляем полученные величины в формулы и получаем длины швов:
– из условия работы на срез по металлу границы сплавления
Проверяем длину наибольшего шва В соответствии с п.12.8 г [7] она должна быть в пределах
В нашем случаесм 68 см то есть проверка выполняется.
Окончательно принимаем высоту траверсы несколько больше : hтр =51см.
«Полученную траверсу проверим на прочность как однопролётную балку с консолями работающую на изгиб и срез от нагрузки qтр собираемой с грузовой полосы шириной»[6] Впл2:
Определяем максимальные усилия действующие в траверсе:
– максимальное перерезывающее усилие будет на опоре
– максимальный изгибающий момент будет в середине пролёта
«Проверяем прочность по нормальным и касательным напряжениям предварительно определив геометрические характеристики сечения траверсы: площадь сечения Aтр и его момент сопротивления Wтр»[6]:
Производим проверку сечения по нормальным напряжениям:
Проверка касательных напряжений:
Касательные напряжения больше расчетного сопротивления срезу определяемого по табл. 1 [6] как
Принимаем толщину траверсы tтр=12 мм и производим ещё проверку траверсы на срез:
Касательные напряжения в пределах расчётного сопротивления стали срезу.
Таким образом траверса сечением – 510х12 мм удовлетворяет всем предъявляемым к ней требованиям.
В курсовой работе был произведен выбор наиболее рационального варианта ячейки балочной клетки по экономическим и наименее трудоемким техническим соображениям данных расчета настила балок настила и вспомогательных балок.
Обеспеченна надежность работы всех элементов рабочей площадки в соответсвтии с двумя групппами предельных состояний: по несущей способности и по пригодности к нормалной эксплуатации.
Список используемой литературы
Металлические конструкции: учебник для студ. высш.учеб. заведений [Ю.И.Кудишин Е.И.Беленя В.С.Игнатьева и др.]; под ред. Ю.И.Кудишина. 10 изд. стер. – Издательский центр «Академия» 2007. – 688 с.
Родионов И.К. Конструктивные решения элементов и узлов рабочих площадок промышленных зданий: электрон. учеб.-метод. пособие И.К. Родионов. – Тольятти: ТГУ 2015. – 67 с
Родионов И.К. Металлические конструкции. Методические указания по выполнению курсовой работы «Рабочая площадка промышленного здания». Тольятти: ТГУ 2019. - 15 с
Родионов И.К. Технико-экономическое сравнение вариантов компоновки ячеек балочных клеток. Методические указания. ТГУ. Тольятти 2019.– 28 с.
Родионов И.К. Работа расчет и конструирование сварной балки рабочей площадки промышленного здания: электронное учебно-методическое пособие И.К. Родионов. – Тольятти: ТГУ 2019. – 67 с.
Родионов И.К. Работа расчет и конструирование стальных центрально-сжатых сплошных колонн: электрон. учеб.-метод. пособие И.К. Родионов. – Тольятти: ТГУ 2015. – 67 с
СП 20.13330.2016 актуализированная редакция «СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия» [Электронный ресурс]: Свод правил. – Введ. 2017.- 04.
СП 16.13330.2017 актуализированная редакция «СНиП -23-81* Стальные конструкции» Свод правил. – Введ. 2017.